Получение: неполная нейтрализация Н3РO4 гидроксидом натрия в разбавленном растворе:
2NaOH + Н3РO4 = Na2HPO4 + 2Н2O
Дигидроортофосфат натрия NaH2PO4. Кислая оксосоль. Белый, гигроскопичный. При умеренном нагревании разлагается без плавления. Хорошо растворим в воде, анион Н2РO4 подвергается обратимой диссоциации. Нейтрализуется щелочами. Вступает в реакции ионного обмена.
Качественная реакция на ион Н2РO4 – образование желтого осадка ортофосфата серебра(I).
Применяется в производстве стекла, для защиты стали и чугуна от коррозии, как умягчитель воды.
Уравнения важнейших реакций:
Получение: неполная нейтрализация Н3РO4 едким натром:
Н3РO4 (конц.) + NaOH (разб.) = NaH2PO4 + Н2O
Ортофосфат кальция Са3(РO4)2. Оксосоль. Белый, тугоплавкий, термически устойчивый. Нерастворим в воде. Разлагается концентрированными кислотами. Восстанавливается коксом при сплавлении. Основной компонент фосфоритных руд (апатиты и др.).
Применяется для получения фосфора, в производстве фосфорных удобрений (суперфосфаты), керамики и стекла, осажденный порошок – как компонент зубных паст и стабилизатор полимеров.
Уравнения важнейших реакций:
Са3(РO4)2 + 2H2SO4 (60 %) = Са(Н2РO4)2↓ + 2CaSO4↓ (до 50 °C)
Са3(РO4)2 + 4Н3РO4 (40 %) = ЗСа(Н2РO4)2↓ (примесь СаНРO4)
Са3(РO4)2 + 5С + 3SiO2 = 3CaSiO3 + 2Р + 5СО (1000 °C)
Смесь Са(Н2РO4)2 и CaSO4 называется простым суперфосфатом, Са(Н2РO4)2 с примесью СаНРO4 — двойным суперфосфатом, они легко усваиваются растениями при подкормке.
Наиболее ценные удобрения — аммофосы (содержат азот и фосфор), представляют собой смесь аммонийных кислых солей NH4H2PO4 и (NH4)2HPO4.
Хлорид фосфора (V) РCl5. Бинарное соединение. Белый, летучий, термически неустойчивый. Молекула имеет строение тригональной бипирамиды (sр3d-гибридизация). В твердом состоянии димер Р2Cl10 с ионным строением РCl4+[РCl6]-. «Дымит» во влажном воздухе. Весьма реакционноспособный, полностью гидролизуется водой, реагирует со щелочами. Восстанавливается белым фосфором. Применяется как хлорагент в органическом синтезе. Ядовит.
Уравнения важнейших реакций:
Получение: хлорирование фосфора.
7.5. Неметаллы IVA-группы
7.5.1. Углерод в свободном виде
Углерод – элемент 2-го периода и IVA-группы Периодической системы, порядковый номер 6. Химия углерода – это в основном химия органических соединений; неорганических производных углерода не так много. Электронная формула атома [3He]2s22p2, характерные степени окисления 0, -IV, +II и +IV, состояние CIV считается устойчивым.
Шкала степеней окисления углерода:
Углерод имеет среднюю для неметаллов электроотрицательность (2,50), проявляет неметаллические (кислотные) свойства. Неорганические углеродсодержащие вещества – оксиды, угольная кислота и ее соли, бинарные соединения; органические вещества – практически неограниченное число соединений с водородом (углеводороды) и их производных, содержащих различные по длине цепи и циклы атомов углерода.
В природе – одиннадцатый по химической распространенности элемент (четвертый среди неметаллов). Встречается в самородном состоянии (алмаз, графит) и в виде соединений. Жизненно важный элемент для всех организмов.
Аллотропные формы углерода С. В свободном виде углерод существует в виде четырех аллотропных модификаций: графит, алмаз, карбин и фуллерен.
Г р а ф и т – устойчивая аллотропная форма существования элемента. Серо-черный, с металлическим блеском, жирный на ощупь, мягкий, обладает электропроводимостью. Кристаллическая решетка состоит из слоев правильных шестиугольных колец, конденсированных по всем сторонам за счет оя-связей (вр2-гибридизация). Реагирует с водяным паром, кислотами-окислителями. Типичный восстановитель при сплавлении, реагирует с кислородом, оксидами металлов и солями. Восстанавливается водородом и металлами.
Для графита характерно образование множества карбидов – солеобразных (СаС2, Al4С3), ковалентных (карборунд SiC), металлоподобных (имеющих нестехиометрический состав, например цементит Fe3C). Солеобразные карбиды полностью гидролизуются в воде.
Применяется как конструкционный материал, основа угольных электродов, замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, кокс – восстановитель в металлургии и химической технологии, сажа – наполнитель резины.
Алмаз содержит в узлах кристаллической решетки атомы С с тетраэдрическим окружением (sр3-гибридизация, р 3,52 г/см3). Благородный камень, имеет наибольшую твердость среди природных веществ. Химическая активность ниже, чем у графита. Выше 1200 °C переходит в графит. В чистом состоянии алмазы – прозрачные бесцветные кристаллы с сильным преломляющим эффектом. После обработки природных алмазов (огранка, шлифовка) получают ювелирные драгоценные камни — бриллианты. Менее чистые алмазы обычно окрашенные и мутные, например серо-голубой и черный (карбонадо).
В промышленности из графита при 2000 °C под очень высоким давлением получают мелкие кристаллы искусственных алмазов. Применяются они для изготовления режущих инструментов и точных измерительных приборов.
Карбин состоит из линейных макромолекул (С2)n со строением —C≡C– или =C=C= (sр-гибридизация, ρ 3,27 г/см3). Химически менее активен, чем графит. При 2300 °C переходит в графит. Прозрачен и бесцветен, полупроводник. Широкого применения не имеет, очень редко встречается в природе.
Фуллерен состоит из молекул C60 или C70 (полые сферы; sр2-гибридизация, ρ 1,7 г/см3, температура плавления 500–600 °C для С60), термически устойчив до 900– 1000 °C.
Темноокрашенный порошок, растворим в гексане (темно-красный раствор для С60 темно-оранжевый для С70), полупроводник. Химические свойства изучены мало. Получают фуллерен, испаряя графит в атмосфере гелия при пониженном давлении. Обнаружен в природе. Возможное использование в будущем – основа сверхпроводящих материалов.
Ниже рассматриваются свойства графита как самой распространенной и химически активной формы углерода.
Уравнения важнейших реакций:
Получение: искусственные формы графита — кокс и сажа образуются при пиролизе каменного угля и углеводородов.
7.5.2. Оксиды углерода
Монооксид углерода СО. Несолеобразующий оксид. Бесцветный газ, без запаха, легче воздуха. Молекула слабополярна, содержит ковалентную тройную σππ-связь [:C≡O;], изоэлектронна молекуле N2. Термически устойчив. Малорастворим в воде и не реагирует с ней. Химически пассивен в обычных условиях, не реагирует с кислотами и щелочами. Сильный восстановитель при высокой температуре и при наличии катализаторов. Вступает в реакции присоединения с кислородом и пероксидом натрия. С переходными металлами образует комплексные соединения без внешней сферы (карбонилы). Количественно реагирует с I2O5.
Качественная реакция – помутнение раствора хлорида палладия(II).
Применяется как реагент в органическом синтезе, промышленно важный восстановитель металлов из их руд.
Чрезвычайно ядовит, загрязняет атмосферу городов (продукт неполного сгорания моторного топлива). По тому же механизму, что и кислород, СО присоединяется к атому железа в гемоглобине крови, причем связывается более прочно и тем самым блокирует перенос кислорода в организме, вызывая сильное отравление и остановку дыхания; отсюда тривиальное название СО — угарный газ.
Уравнения важнейших реакций:
Получение в промышленности: сжигание кокса (см.) при недостатке кислорода, восстановление раскаленным коксом углекислого газа и водяного пара:
Диоксид углерода СO2. Кислотный оксид. Техническое название — углекислый газ. Бесцветный газ, без запаха, в 1,5 раза тяжелее воздуха (можно «переливать» из сосуда в сосуд). Молекула неполярна, имеет линейное строение [С(O)2] (sр-гибридизация), содержит ковалентные σπ-связи С=O. Термически устойчив до температуры красного каления. При сжатии (давление = 50 атм) и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое («сухой лед») состояния.
